EP0190569B1 - Breitbandige Richtantennenanordnung - Google Patents
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- EP0190569B1 EP0190569B1 EP86100386A EP86100386A EP0190569B1 EP 0190569 B1 EP0190569 B1 EP 0190569B1 EP 86100386 A EP86100386 A EP 86100386A EP 86100386 A EP86100386 A EP 86100386A EP 0190569 B1 EP0190569 B1 EP 0190569B1
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- H01Q13/08—Radiating ends of two-conductor microwave transmission lines, e.g. of coaxial lines, of microstrip lines
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- H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
- H01Q3/24—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the orientation by switching energy from one active radiating element to another, e.g. for beam switching
Definitions
- the invention relates to a broadband directional antenna arrangement according to the preamble of claim 1.
- Such an antenna is the subject of US Pat. No. 3,860,933.
- the antenna elements here consist of slots of equal length in different directions, which are provided on the narrow side of a hollow body with a rectangular cross section. A ribbon cable common to them is fed through these slots.
- Antennas of this type have a relatively large aperture and the resulting coarse resolution. They can be used to locate objects of small geometric dimensions hidden in the ground. Further detailed statements - e.g. on the other hand, dimensions, shape and location cannot be determined. On the other hand, if you choose an antenna with a smaller aperture, you can only use it to send out a short search pulse, which may occur, especially when the soil is wet and the attenuation caused by it. no longer penetrates deep enough to notice small objects.
- the small apertures which are favorable in terms of good resolving power, also have the disadvantage that they can only be used to obscure objects that are hidden directly below the surface of the earth, e.g. Rifle mines, but not those at a greater depth, e.g. Tank mines can be located because apertures of this size cannot be used to radiate sufficiently long or low-frequency impulses.
- the object of the invention is seen in the improvement of the generic directional antenna in such a way that it can be used to carry out a finely rastered scanning of small objects hidden in the ground in terms of their depth effect for the purpose of determining them as clearly as possible.
- This object is achieved by the features mentioned in the characterizing part of claim 1.
- the directional antenna 1 in Fig. 1 consists essentially of the two ribbon conductors 2 and 3. From their feed point 4, in the area of which the ribbon conductors are narrow, they run almost parallel, but then widen towards the aperture level, while the parallel Gradually changes into an expansion. If high-frequency energy is fed in at the feed point 4 via the coaxial line 5, pulse widths of the order of 500 ps can be emitted, the amplitudes of which approximately correspond to the envelope curve 10 in FIG. 4. If the impulses are to be emitted without errors, the total length of such an antenna is approximately 1 1/2 m and its aperture in both directions is approximately 25--30 cm. To this extent, it is known prior art.
- directional antennas of these dimensions emit sufficiently long pulses to e.g. When penetrating deeply enough to search for objects hidden in the ground, they are not suitable for all purposes. They are too bulky and too large in their aperture to accommodate many such antennas, e.g. as a line of antennas across the front of a vehicle to enable a finely rasterized scanning According to the invention, which can be seen above all from FIG. 2, it is therefore proposed to arrange several smaller and identical antenna elements 1 'next to one another in a row so that the extent of their apertures corresponds to that of the conventional large directional antenna 1 from FIG. 1.
- the arrangement of the antenna elements 1 ' can be expanded to a line 6 which in the line direction still exceeds the size of a large individual antenna 1 (FIG. 1). In the present exemplary embodiment, this would be approximately 30 antenna elements 1 'per line 6 with a height of about 30 cm, an aperture of about 7.5 cm per element, an aperture-side width of the ribbon conductors 2 ', 3' of about 2 cm and a line length of about 60 to 70 cm.
- the material used here is, for example, brass.
- Such a line arrangement of antenna elements is suitable as a handheld device for detecting small objects hidden in the ground, e.g. Mines, both from rifle mines, which are usually located directly below the surface of the earth, and from somewhat deeper, usually around 20 cm, tank mines sunk in the ground, in the latter case an additional electrical measure being required, at the end the description is discussed in more detail.
- mines both from rifle mines, which are usually located directly below the surface of the earth, and from somewhat deeper, usually around 20 cm, tank mines sunk in the ground, in the latter case an additional electrical measure being required, at the end the description is discussed in more detail.
- the antenna elements 1 ' can be attached to holders provided on the outside instead of the foam filling.
- the ends of the ribbon conductors 2 ', 3' on the aperture side border the absorber plates 11 on both sides of the rows 6 for the purpose of reducing the total length of the antenna elements 1 '. They are arranged parallel to the axes of symmetry of the directional antenna elements 1' and functionally form part of the antenna elements.
- the effect achieved can be further supported in that the flat conductor ends of adjacent antenna elements 1 'of a row 6 are connected to one another via damping resistors 8.
- damping resistors can also be used alternatively.
- FIG. 2 The mosaic or matrix structure of FIG. 2 is shown on the radiation side, that is to say seen from its underside, in FIG. 3 on its own. If such a device consists of only a single row 6, its antenna individual elements 1 'can be activated either individually or — for the purpose of enlarging the aperture — in groups when searching for objects hidden in the ground. If, on the other hand, the device consists - as shown - of several lines 6, entire fields of such antenna elements can also be activated together. The smaller, heavily framed field is intended for rifle and mine for tank mines. The invention is neither limited to the number of bundled antenna elements nor to the direction of activation, because in principle, column-by-column activation is also conceivable in addition to row-by-row.
- the following trick is used in accordance with FIG. 4:
- a runtime shift can be caused by their number and size.
- the amplitudes of the individual pulses which are emitted by the antenna elements which are activated in accordance with the desired aperture size can now be delayed and added up in a manner which simulates a low-frequency signal 10.
Landscapes
- Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
- Geophysics And Detection Of Objects (AREA)
- Radar Systems Or Details Thereof (AREA)
Description
- Die Erfindung bezieht sich auf eine breitbandige Richtantennenanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
- Eine solche Antenne ist Gegenstand der US-PS 3,860,933. Die Antennenelemente bestehen hier aus gleichlangen Schlitzen unterschiedlicher Richtung, die an der Schmalseite eines Hohlkörpers mit rechteckigem Querschnitt vorgesehen sind. Über diese Schlitze wird eine ihnen gemeinsame Flachbandleitung gespeist. Auch die FR-A-2015415, die GB-PS 964458, die US-PS 3,099,386 und die Fachzeitschrift IEE Proc., Vol. 130, Pt. H, No. 6, Oct. 1983, Seiten 403-409, insbesondere Fig. 2 und zugehöriger Text, behandeln jeweils Antennen mit einer Flachbandleitung, bei der die Impedanz des Speisekabels derjenigen des freien Raumes weitgehend angepaßt ist.
- Antennen dieser Art besitzen eine relativ große Apertur sowie eine dadurch bedingte grobe Auflösung. Mit ihnen kann man zwar im Erdreich verborgene Gegenstänae kleiner geometrischer Abmessungen orten. Darüberhinausgehende genauere Aussagen - z.B. über Ausmaße, Form und Lage-lassen sich dagegen nicht treffen. Wählt man andererseits eine in ihrer Apertur kleinere Antenne, so kann man mit ihr nur einen kurzen Suchimpuls aussenden, der vor allem bei nassem Erdreich und dadurch bedingter Dämpfung, u.U. nicht mehr tief genug eindringt, um kleine Gegenstände wahrzunehmen. Die hinsichtlich eines guten Auflösungsvermögens zwar günstigen kleinen Aperturen besitzen außerdem den Nachteil, daß sich mit ihnen nur Gegenstände, die unmittelbar unter der Erdoberfläche verborgen liegen, z.B. Schützenminen, nicht dagegen solche in einer größeren Tiefe, z.B. Panzerminen, orten lassen, weil sich mit Aperturen dieser Größenordnung keine hinreichend langen bzw. niederfrequenten Impulse gebündelt abstrahlen lassen.
- Aus der DE-OS 15 16 756 ist sodann eine den letztgenannten Ausführungsformen ähnliche Antenne mit Flachbandleitung bekannt. Zum Zweck einer extremen Strahlungsbünde- lung-z.B. für radioastronomische Zwecke--können hier auch mehrere solcher Antennen flächenartig zusammengefaßt werden. Über die geometrische Ausbildung einer solchen Fläche, die Größe der verwendeten Antennenelemente, die Faltung des Strahlungskörpers und die Empfängerseite finden sich hingegen keine Angaben.
- Die Aufgabe der Erfindung wird in der Verbesserung der gattungsgemäßen Richtantenne dahingehend gesehen, daß sich mit ihr eine feingerasterte und in ihrer Tiefenwirkung hinlängliche Abtastung von im Erdreich verborgenen kleinen Gegenständen zwecks deren möglichst eindeutiger Bestimmung durchführen läßt. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 genannten Merkmale gelöst. Diese Maßnahmen gewährleisten, daß beim Einsatz solcher Antennen nicht nur die Existenz eines im Erdboden verborgenen Gegenstands schlechthin signalisiert wird, sondern sie ermöglichen darüberhinaus auch noch genauere Aussagen über Abmessungen und Form bzw. Kontur des georteten Gegenstandes, so daß Rückschlüsse auf seine Lage und sein Aussehen möglich werden.
- Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
- Im folgenden werden an Hand einer Zeichnung Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben, wobei die in den einzelnen Figuren einander entsprechenden Teile dieselben Bezugszahlen aufweisen. Es zeigt
- Fig. 1 ide Flachbandleitung einer herkömmlichen Exponential-Bandleitungsantenne,
- Fig. 2 die nach Art eines Mosaiks ausgelegte erfindungsgemäße Antenne mit mehreren Zeilen zu je ca. 30 Antennenelementen,
- Fig. 3 die mosaikförmige Abstrahlseite der Antenne gemäß Fig. 2 und
- Fig. 4 den empfängerseitigen Summierungsvorgang der Signalimpulse der aktivierten Antennenelemente in der Art eines niederfrequenten Signals der Antenne gemäß Fig. 2 und 3.
- Die Richtantenne 1 in Fig. 1 besteht im wesentlichen aus den beiden Flachbandleitern 2 und 3. Von ihrem Speisepunkt 4 aus, in dessen Bereich die Flachbandleiter schmal ausgebildet sind, verlaufen sie nahezu parallel, verbreitern sich dann aber nach der Aperturebene hin, während der parallele Verlauf allmählich in eine Aufweitung übergeht. Wenn im Speisepunkt 4 über die Koaxialleitung 5 Hochfrequenzenergie eingespeist wird, lassen sich Impulsbreiten von größenordnungsmäßig 500 ps ausstrahlen, deren Amplituden etwa der Hüllkurve 10 in Fig. 4 entsprechen. Sofern die Impulse fehlerfrei abgestrahlt werden sollen, beträgt die Gesamtlänge einer solchen Antenne etwa 1 1/2 m und ihre Apertur ein beiden Richtungen etwa 25--30 cm. Insoweit handelt es sich um bekannten Stand der Technik.
- Obgleich Richtantennen dieser Dimensionen genügend lange Impulse abstrahlen, um z.B. beim Suchen nach im Erdboden verborgenen Gegenständen tief genuz einzudringen, sind sie nicht für alle Verwendungszwecke geeignet. Sie sind zu unhandlich und in ihrer Apertur zu groß, um bei Anordnung vieler solcher Antennen nebeneinander, z.B. als Antennenzeile quer vor einem Fahrzeug, eine feingerasterte Abtastung zu ermöglichen. Gemäß der vor allem aus Fig. 2 ersichtlichen Erfindung wird daher vorgeschlagen, mehrere kleinere und unter sich gleiche Antennenelemente 1' in einer Zeile abstandslos so nebeneinander anzuordnen, daß die Ausdehnung ihrer Aperturen derjenigen der herkömmlichen großen Richtantenne 1 von Fig. 1 entspricht.
- Um einen horizontalen Abtastvorgang über einen nich größeren Bodenbereich zu ermöglichen, kann die Anordnung der Antennenelemente 1' zu einer Zeile 6 erweitert werden, die in Zeilenrichtung noch über das Maß einer großen Einzelantenne 1 (Fig. 1) hinausgeht. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wären dies etwa 30 Antennenelemente 1' pro Zeile 6 mit einer Höhe von etwa 30 cm, einer Apertur pro Element von etwa 7,5 cm, einer aperturseitigen Breite der Flachbandleiter 2', 3' von etwa 2 cm und einer Zeilenlänge von etwa 60 bis 70 cm. Das hierbei verwendete Material ist beispielsweise Messing.
- Eine solche Zeilenanordnung von Antennenelementen eignet sich als Handgerät zum Aufspüren von im Erdboden verborgenen kleinen Gegenständen, z.B. Minen, und zwar sowohl von für gewöhnlich unmittelbar unter der Erdoberfläche befindlichen Schützenminen, als auch von etwas tiefer, in der Regel um die 20 cm, im Erdboden versenkten Panzerminen, wobei es in letzterem Fall noch einer zusätzlichen elektrischen Maßnahme bedarf, auf die am Schluß der Beschreibung näher eingegangen wird.
- Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 sind mehrere, z.B. drei, Zeilen 6 miteinander verbunden, so daß insgesamt der Eindruck eines mosaik-oder matrixförmigen Aufbaus entsteht. Der Freiraum zwischen den Flachbandleitern 2' und 3' ist aus Stabilitätsgründen mit einem leichten, elektrisch indifferenten Stoff 7, z.B. Schaumstoff, ausgefüllt. Bei einem anderen, zeichnerisch nicht dargestellten Ausführungsbeispiel können die Antennenelemente 1' anstelle der Schaumstoff-Füllung an außenseitig vorgesehenen Halterungen befestigt werden. Die aperturseitigen Enden der Flachbandleiter 2', 3' grenzen zum Zweck einer Verkleinerung der Gesamtlänge der Antennenelemente 1' beiderseits der Zeilen 6 an Absorberplatten 11. Sie sind parallel zu den Symmetrieachsen der Richtantennenelemente 1' angeordnet und funktionsmäßig Bestandteil der Antennenelemente. Der erzielte Effekt läßt sich noch dadurch unterstützen, daß die Flachbandleiter-Enden benachbarter Antennenelemente 1' einer Zeile 6 über Dämpfungswiderstände 8 miteinander verbunden werden. Platten und Dämpfungswiderstände können jedoch auch alternativ verwendet werden.
- Der mosaik- oder matrixförmige Aufbau der Fig. 2 ist abstrahlseitig, das heißt von seiner Unterseite her gesehen, in Fig. 3 für sich genommen dargestellt. Wenn ein solches Gerät aus nur einer einzigen Zeile 6 besteht, so lassen sich seine Antenneneinzelelemente 1' beim Suchen nach im Erdboden verborgenen Gegenständen entweder einzeln oder-zum Zweck der Vergrößerung der Apertur-in Gruppen aktivieren. Besteht das Gerät dagegen-wie dargestellt-aus mehreren Zeilen 6, so lassen sich auch ganze Felder solcher Antennenelemente gemeinsam aktivieren. Das kleinere stark umrandet dargestellte Feld ist hierbei für Schützen- und das größere für Panzerminen vorgesehen. Die Erfindung ist weder auf die Anzahl der gebündelten Antennenelemente noch auf die Richtung der Ansteuerung beschränkt, denn grundsätzlich ist außer der zeilenweisen auch eine spaltenweise Ansteuerung denkbar.
- Um mit diesen Antennenelementen 1', die, wie vorstehend erläutert, eine gute Auflösung und praktisch jede erforderliche Aperturgröße ermöglichen, vor allem bei nassem Erdreich auch tiefer liegende Gegenstände zu orten, bedient man sich nach Fig. 4 folgenden Kunstgriffs: In der empfängerseitigen Schaltung werden Verzögerungsglieder vorgesehen. Über ihre Anzahl und Größe läßt sich eine Laufzeitverschiebung bewirken. Die Amplituden der Einzelimpulse, die von den der gewünschten Aperturgröße entsprechend aktivierten Antennenelementen abgestrahlt werden, können jetzt laufzeitverschoben und in einer ein niederfrequentes Signal 10 simulierenden Weise aufaddiert werden. Nach einer zeichnerisch nicht dargestelltn Variante ist es auch möglich, anstelle des Aufsummierens, laufzeitverzögerter Einzelimpulse ganze Impulsketten in den Erdboden abzustrahlen, deren Umhüllende einem langen Impuls entspricht.
- Es versteht sich, daß die Erfindung nicht auf die erwähnten Zahlen- und Materialangaben beschränkt ist, sondern dieselben den jeweiligen Einsatzverhältnissen angepaßt werden müssen.
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